ÇOK YÜKSEK GERİLİMLİ İLETİM SİSTEMİ GÜVENLİK TASARIM VE TEST ÖLÇÜLERİ

Çok yüksek gerilimli iletim sistemi güvenlik tasarım ve test ölçüleri

ÖZET Bu yazıda; üretim merkezlerinde üretilen eneıjinin müş terilere güvenilir ve ekonomik bir şekilde iletilebilmesi için iletim sisteminin sahip olması gereken ölçütler be lirlenmiştir.

SUMMARY The electrical energy generated at a generation center should be transmitted to the customers in a reliable and economical arrangement. in this paper, the relevant specifications and criteria for a transmission system are determined.

Dr. Mustafa ÖNGAY, ESAS Orhan TARKAN, TEK ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 265 266

1.GİRİŞ

Elektrik enerjisinin üretim ve iletimi ile yükümlü bulunan kuruluşların başlıca amacı enerjinin müşterilerine en ucuz ve kaliteli bir şekilde sağlanmasını temin etmektir. Daha teknik terimlerle bu amaç ekonomi ve güvenirlik şeklinde belirlenmektedir.

Her iki kavramın da, planlama hatta sistem henüz düşün ce aşamasındayken dikkate alınması gerekir. Özellikle gü venirlik kavramının bir dizi kriterler şeklinde teknik etüdlere yön vermesi, planlama sonucunda ortaya çıka cak sistemin beklenen kaliteyi sağlaması bakımından önemlidir.

Elektrik sisteminin mühendislik yönünden planlama ve kurulmasında başlıca iki unsurun etken olduğu söylene bilir. Bunlardan birincisi yeterlilik, ikincisi ise güvenirlik şeklinde tanımlanabilir. Yeterlilik puan t yükte tüm müş terilerin ıIÜÇ ve enerji ihtiyaçlarını karşılayabilmek için yeterli üretim ve iletim kapasitesini sağlamak, güvenirlik ise her hangi bir arıza sonucu sisteme gelecek bir darbe nin bir zincirleme arızalar dizisine yol açarak sistemin tü müyle oturmasını önlemek şeklinde açıklanabilir.

Sistemin elemanlarından biri veya birkaçı işletmede ol madığı zaman yük atılmadan sistem yükünün karsılana bilme olasılığı sistem yeterliliğidir, (system availability). Bu olasılık hesabında etken olan başlıca sistem koşulları şunlardır: a. Yük karakteristikleri (frekansa ve gerilime hassas olma özellikleri), b. Yük tahminlerindeki hatalar, c. Üretim ünitelerinin bakım programları, d. Üretim ünitelerinin program dışı devre harici olmaları, e. Birincil enerji kaynaklarındaki sınırlama olasılıkları f. Diğer sistemlerden alınan elektrikte sınırlama ihtimal leri.

Sistem elemanlarının arızalar, yanlış manevralar, vs. sebe biyle ani olarak devre dışı olmaları halinde sistemin tep kisi ise güvenirlilik ile ölçülür, (system security). Genel likle bu arızaların bir arızalar zinciri oluşturmaması iste nir.

Yukarıdaki her iki konu birbirinden ayrıdır. Buna göre birindeki şartların üstünlüğü diğerinin neticesini etkile meyebilir.

Sistem emniyetinin ölçülmesinde en başta gelen test bü yük santralların ve aynı iletim koridorundaki önemli çok yüksek gerilimli hatların devre harici olması şekillerini kapsar. Burada hedef yük atılmasını en azda tutabilmek tir.

Sistem emniyetini etkileyen en önemli elemanlar ise,

a. Döner yedek ile b. Döner yedeğin üretimi iletmeye hazır iletim kapasi tesidir.

Yeterliliği sağlamak için planlanan üretim ve iletim tesis lerinin zamanında yapılıp işletmeye alınması, güvenirli ğin sağlanması için de şebekenin büyüyen ve gelişen yük lerle birlikte çeşitli ani arızalarda dengelenmesi gerekli dir. Bu iki unsurun birlikte işlemesi ve üretim ile ana yük merkezleri arasındaki yüksek gerilimli ana iletim şebeke sinin zamanında geliştirilmesi, güvenirlik yönünden dik kat edilmesi gereken en önemli unsurdur.

Elektrik enerjisi üretim ve iletiminde arızalar ve kesintiler meydana gelmesi kaçınılmazdır. Güvenirliği % 100 olan bir sistem yaratmanın gerek ekonomik gerekse teknik yönlerden imkansızlığı da çok iyi bilinen bir gerçektir. Ancak, sistemin güvenirliğini ekonomik amaçtan feda karlık ederek yükseltmek mümkündür. Bunun için, mev cut ekonomik durum, elektrik enerjisine olan bağımlılık, sistemin durumu ve gelecekte ulaşılması beklenen amaç lar gibi etkenier dikkate alınarak güvenirlik için belirli hedefler seçilir. Sistemin uğrayacağı arızalar, en yüksek olasılıklı olanlardan başlayarak azalan olasılıklarına göre düşünülebilir. Bu şekilde istenilen güvenirlik derecesine göre, sistemin çeşitli işletme durumları ve arızalara olan tepkileri ile etüdlere yön vermek mümkündür. Önce de belirtildiği gibi tüm müşteriler için her ne kadar % 100 oranında bir işletme emniyeti sağlanmayacaksa da siste min bir arıza sonucu tümüyle oturmasını önlemek de her zaman için mümkün olabilir. Örneğin, en yüksek olasılıklı arızalarda sistemi ; tepkisini müşteriye hiç his settirmemek için planlan,ayı değiştirmek, daha az ola sılıklı arızalarda etkiyi en aza indirgemek için gerekli ön lemleri planlamak gibi yollar seçilebilir.

Türkiye Elektrik Kurumu, Planlama ve Koordinasyon Dairesi ile Araştırma ve Geliştirme Dairesi beraber ya pılan bir çalışma sonucu, yüksek gerilim enerji iletim ve üretim sistemi için güvenirlik kriterlerini tespit etmişler dir.

Yurdumuzda üret'm ve yük merkezlerinin kendisine öz gü elektriksel karakteristiklerinin olması gelişen sistemi mizin belirli kriterlere göre planlanması ve sınanması ge reğini ortaya çıkarmıştır. Üretim merkezleri ile yük mer kezleri arasındaki uzun enerji iletim hatları, doğal kay naklarımızdan faydalanma gereğinin ortaya çıkardığı ile tim zorluğu, yük artışlarının yüksek olması bu kriterlerin saptanmasındaki ekonomik gerekçelere vüksek bir önem getirmektedir. Böylece sistemimizde rezerv kapasitenin yeteri kadar kurulması ve korunması sağlanacak ve ona göre sistem ve ulusal ekonomiye katkı en yüksek düzey de tutulacaktır. Buna çöre h.vırianan kriterler iki bölüm de düşünülmüştür. Hırın.: bölümdeki kriterler planlama sırasında uygulanarak gerektiğinde plan değiştirilerek

kriterlere uyum sağlanacaktır. İkinci bölümde planlama dan sonra uygulanarak ve ana planlama değiştirilmeden kriterler ile uyumlu önlemler saptanacaktır.

Kriterlerin saptanmasında şu ana ilkelere bağlı kalınma ya çalışılmıştır:

1. Artan yük ve beklenen arıza olasılıkları ışığında yeter li iletim ve üretim yedeğinin bırakılmış olması,

2. Sistemde ani bir iletim veya üretim elemanı kaybı ha linde yeni bir arızaya meydan verilmemesi,

3. Planlama kriteri olarak saptanan işletme şartlarından daha ağır durumlar ile karşılaşıldığında üretim kaybı, birbirini izleyen hat veya trafo açmaları, vük kaybı gi bi sistem gelişmelerinin en aza indirilmesi,

4. Yukarıda sıralanan birbirini izleyen arızalar sonucu sistemin tümüyle oturmasının önlenmesi,

5. Arıza hallerinde sistemin normal durumuna hızla dön mesinin sağlanması,

Hazırlanan kriterlerin eelecekte elde edilecek tecrübe ve gelişen amaçlar ışığında gözden geçirilerek yenilenmele ri kesinlikle gereklidir. Bunu temin etmek için ise arıza lar daha iyi izlenerek istatistikler aksatılmamalı; sistemin çeşitli şartlara olan davranışları ile işletme tecrübeleri daha dikkatli gözlenerek, ölçülmelidir. Böylece planla madan işletmeye kadar bütün aşamalarda etkin bir eşgü düm sağlanmalıdır.

2. PLANLAMA İÇİN GÜVENİRLİK KRİTERLERİ

2.1. Tasarım Kriterleri

Bir elektrik sisteminin tasarımı sırasında yapılacak benze tim çalışmalarında sistemde olması mümkün olan tüm arızaları bilmek, bunları teker teker sistem benzetiminde kullanmak olasılıklı bir hal değildir. Zaten bovle bir ince lemeye gerek de yoktur, önemli olan benzetimlerde kul lanılan arızaların sistemi ne dereceye kadar zorladıkları ve bu arızaların olasılıkları ile bu zorlamaya sistemin ne ölçüde dayanabildiğinin belirlenmesidir. Bu nedenle, planlama aşamasında sistemimizin aşağıdaki hallerde sı ralanan arızalarla sınanmasının yerinde olacağı öngörül müştür.

a. Puan t Yük Şartlarında:

1. Herhangi bir hattın ucundaki üç faz toprak arızası ne deniyle servis dışı olması.

2. Herhangi bir santralın yükü'i % 10'unu karşılayan bir veya daha fazla üniteden oluşan kısmının aniden ve iletim sistemi arızası olmadan servis d ışı olması.

3. Herhangi bir trafonun terminalindeki üç faz toprak arızası nedeni ile servis dışı olması.

b. Ortalama Yük Şartlarında (Puant yükün % 70 seviye si):

ELEKTRIK MÜHENDISLIĞI 265 266

4. Herhangi bir hat bakım dolayısı ile servis dışı iken herhangi bir diğer hattın ucundaki üç faz toprak arı zası dolayısı ile açması.

5. Herhangi bir hat bakım dolayısıyla servis dışı iken herhangi bir santralın yükün % 10'unu karşılayan bir veya daha fazla üniteden oluşan kısmının aniden ve iletim sistemi arızası olmadan servis dışı olması.

6. Herhangi bir hat bakım dolayısı ile servis dışı iken herhangi bir trafonun ucunda meydana gelen bir üç faz toprak arızası nedeni ile servis dışı olması.

Sistem bu şartlarla zorlandığı zaman tepkisinin şu şekil de olması öngörülmüştür:

1. Sistem dengeli kalmalıdır. Geçici dengede birinci tepe noktası dönülmüş olmalı.

2. Tekrar kapama yapılmamalıdır. 3. Y ük atma yapılmamalıdır. 4. Açılmalar normal açma süresi içinde yapılmalıdır.

Arızalı kesici ve gecikmeli röle çalışması kabul edil meyecektir.

Puant yük şartlarında belirlenen birinci ve ikinci arıza hallerinden sonra sistem ayarlanmadan yapılacak yük akışlarında,

5. Donanımın normal anma yüklenmelerinin sınırları aşılmamalıdır.

6. Trafolar için (üçüncü arıza halinde) imdat (emer gency) sınırları aşılmamalıdır.

7. Gerilimler normal s:nırlar içinde kalmalıdır. 8. Trafolar için (üçüncü arıza halinde) trafo gerilimleri en küçük sınırlarından aşağı inmemelidir.

Ortalama yük şartlarında sistem ayarlandıktan sonra ya pılacak yük artışı etüdlerinde 5, 6, 7 ve 8. maddelerdeki şartlar geçerliliklerini koruyacaktır.

2.2. Test Kriterleri

Ana planlaması yukarıda belirlenen şartlara göre yapılan sisteme uygulanacak sistem analizi çalışmaları sırasında sistemin sınanması için olasılıkları az olan arızalar uygu lanarak benzetimler yapılacaktır. Bu çalışmalarda puant yük şartlarında şu arızaların sistemi zorlaması öngörül müştür:

1. Herhangi bir santralın bir sistem arızası olmaksızın aniden ve tümüyle servis dışı olması.

2. Herhangi bir barada meydana gelen üç faz toprak kısa devre arızası sonucu o baranın arızalı bölümüne bağlı bütün hatların servis d ışı olması.

3. Aynı güzergahta bulunan 2 hattın birlikte kaybedil mesi.

4. Herhangi bir hattın ucunda meydana gelecek üç faz toprak arızasında röle veya kesicinin düzgün çalışma

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 265 266

ması nedeni ile gecikmeli açma yapması. 5. Herhangi bir hattın olmadığı ve üretimin ayarlanmış olduğu bir sistem konfigürasyonunda ikinci bir hattın açması.

Bu arızalar nedeni ile darbelerle etkilenecek sistemin şu şartları yerine getirmesi öngörülmüştür:

1. Sistem dengeli olmalıdır. Geçici dengede birinci tepe noktası dönülmüş olmalı.

2. Bu arızalar diğer arızalara neden olmamalı, böylece bir arızalar zinciri oluşmamalıdır.

Dinamik stabiliteyi takibeden kararlı rejim sırasında ya pılacak yük akışlarında:

3. Donanımın kısa süreli imdat sınırları aşılmamalıdır. 4. Bara gerilimleri minimum sınırların altına inmemeli dir. Yukarıdaki amaçlara ulaşabilmek için sırasıyla şu önlem ler alınabilir:

1. Yerel yük atma 2. Tekrar kapama 3. Bölgesel yük atma 4. Sistemi bölgelere ayırma

Böylece, sistemimiz planlanırken, olasılığı yüksek arıza lara karşı gerekli önlemler alınmış olacaktır. Olasılığı nis beten düşük arızalarda ise sistemimizin tümü ile elden çıkmasının önlenilmesi yoluna gidilmiştir.

3. TEÇHİZATIN ANMA VE İMDAT SINIRLARI

Sistemimizde planlama sırasında kapasiteleri öncelikle saptanan teçhizat ve sistem elemanlarını, hatlar, trafolar ve generatörler şeklinde sıralayabiliriz. Bu sistem eleman larının anma ve imdat sınırları (nominal, emergencv and short time emergeny ratings) teknik şartnameler ile belir lenmektedir. Bazı donanım için ise IEC standardlannda belirli değerler verilmiştir. Bu yazıda belirlenen kriterle re göre yükleme sınırları ilk elde kontrol edilecek dona nım ve sınırları şu şekilde olacaktır:

a. Tasarım Çalışmalarında Geçici Denge: Trafo nominal akımının 7 katı Generatör nominal akımının 1,5 katı (1) Hat açma zamanı 110 milisaniye

Yük Akışı: Trafo nominal gücünün 1,25 katı Gerilim alt sınırı 0,95 p.u. Gerilim üst sınırı 1,1 p.u.

b. Test Çalışmalarında Yük Akışı:

Trafo nominal gücünün 1,35 katı Generatör nominal gücünün 1,15 katı Gerilim üst sınırı 1,1 p.u. Gerilim alt sınırı 0,9 p.u.

Denge: Trafo nominal akımının 7 katı Generatör nominal akımının 1,5 katı (1) Normal açma zamanı 110 milisaniye Gecikmeli açma zamanı 510 milisaniye

IEC Standartları generatör ve trafo aşırı yüklenmeleri için aşırı yüklenmeden önceki yük durumu, çevre sıcak lığı gibi etkenlere bağlı olarak geniş sınırlar vermektedir. Bu çalışmada daha sınırlı bir çerçeve içinde kalabilmek amacıyla çevre ısısı 20 derece önce yüklenme seviyeside % 90 olarak kabul edilmiştir.

Tanımlar: Ortalama Yük = yük istatistiklerinden saatlik puantın

% 67'si olarak hesaplanmıştır. Bu yazıda % 70 olarak kabul (1)Gene! olarak denge çalışmalarında bu değerin sınır landırılması düşünülmemektedir. Fakat, IEC Standart larına göre generatörlerin nominal akımın 1,5 katına 15 saniye süre ile dayanması esas alınmıştır. Bu sebep le, generatörlerin zorlanmalarının bir değerlendirmesi

yapılabilmesi için bu değer bir kıstas olarak konul muştur.

Puant Yük = Yılın maksimum saatlik yükü

Açma Zamanı = Yüksek gerilim sistemimizde hatların açma zamanı röle için 50 ms kesici için 60 ms kabul edilerek, toplam 110 ms alınmıştır. Trafoların ucunda olu şan arızalarda transfer trip olmadığın dan açma süresi genellikle daha kısa olabilmektedir. Ancak trafo korumala rı akım şiddetiyle ilgilidir. Düşük akım lı kısa devrelerde açma süresi biraz uza yabilir. Bu bakımdan emin bir değer olarak 110 ms kabul edilmiştir.

Gecikmeli açma ise birinci ve ikinci korumanın ikisinin birden çalışmadığı durumu (bu durumla şimdiye kadar karşılaşamadığı belirtilmiştir) kapsa maktadır.

Ayarlanmış Sistem= Santral üretimlerinin düzenlenmesi ve kaydırılması trafo kademelerinin ayarlanması, diğer teçhizatın devre ye sokulup çıkartılması sonucu nor mal gerilim dağılımının elde edildi ği kararlı sistem durumu.

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 266 266